JP2015149360A

JP2015149360A - compound semiconductor FET

Info

Publication number: JP2015149360A
Application number: JP2014020647A
Authority: JP
Inventors: 櫛田　知義; Tomoyoshi Kushida; 知義櫛田; 富田　英幹; Hidemiki Tomita; 英幹富田; 裕之榊; Hiroyuki Sakaki
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Gauken
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Gauken
Priority date: 2014-02-05
Filing date: 2014-02-05
Publication date: 2015-08-20

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve both of high gate threshold voltage and low ON-state voltage of a compound semiconductor FET.SOLUTION: A compound semiconductor FET comprises: a semiconductor substrate 20; a source electrode 42 directly or via an other layer connected to a surface of a semiconductor substrate 20; a gate electrode 44; a drain electrode 46; and a back gate electrode 48. A deep carrier gas layer 25b that is either one of two-dimensional electron gas or two-dimensional hole gas; and a front side carrier gas layer 27b that is the other of two-dimensional electron gas or two-dimensional hole gas, and is arranged at a location nearer to the surface side of the semiconductor substrate 20 than the deep carrier gas layer 25b and opposed to the deep carrier gas layer 25b, are in the semiconductor substrate 20. The back gate electrode 48 is electrically connected to the deep carrier gas layer 25b. At a lower side of the gate electrode 44, a carrier concentration of the deep carrier gas layer 25b is higher than that of the front side carrier gas layer 27b.

Description

本明細書が開示する技術は、化合物半導体ＦＥＴに関し、より典型的にはＨＥＭＴに関する。 The technology disclosed herein relates to compound semiconductor FETs, and more typically to HEMTs.

特許文献１には、ヘテロ接合部に形成されるキャリアガスをチャネルとして用いる化合物半導体ＦＥＴが開示されている。化合物半導体ＦＥＴによれば、高速かつ低損失のスイッチング素子が実現される。 Patent Document 1 discloses a compound semiconductor FET that uses a carrier gas formed at a heterojunction as a channel. According to the compound semiconductor FET, a high-speed and low-loss switching element is realized.

特開２００８−１３５５７５号公報JP 2008-135575 A

一般に、化合物半導体ＦＥＴのゲート閾値電圧（すなわち、化合物半導体ＦＥＴをオンさせるために最低限必要なゲート電圧）は低い。化合物半導体ＦＥＴを安定して動作させるためには、ゲート閾値電圧を上昇させて、化合物半導体ＦＥＴをノーマリオフ化することが望ましい。 In general, the gate threshold voltage of the compound semiconductor FET (that is, the minimum gate voltage required to turn on the compound semiconductor FET) is low. In order to operate the compound semiconductor FET stably, it is desirable to raise the gate threshold voltage and to normally turn off the compound semiconductor FET.

本明細書が開示する化合物半導体ＦＥＴは、半導体基板と、ソース電極と、ゲート電極と、ドレイン電極と、バックゲート電極を有する。半導体基板内には、二次元電子ガスと二次元ホールガスのいずれか一方である深部キャリアガス層と、二次元電子ガスと二次元ホールガスのいずれか他方であり、深部キャリアガス層よりも半導体基板の表面側であって深部キャリアガス層と対向する位置に配置されている表面側キャリアガス層が存在している。ソース電極とゲート電極とドレイン電極は、半導体基板の前記表面に、直接、または他の層を介して接続されている。バックゲート電極は、深部キャリアガス層と導通している。ゲート電極の下側において、深部キャリアガス層のキャリア濃度は、表面側キャリアガス層のキャリア濃度よりも高い。 The compound semiconductor FET disclosed in this specification includes a semiconductor substrate, a source electrode, a gate electrode, a drain electrode, and a back gate electrode. In the semiconductor substrate, there is a deep carrier gas layer that is one of two-dimensional electron gas and two-dimensional hole gas, and one of the two-dimensional electron gas and two-dimensional hole gas, and the semiconductor is deeper than the deep carrier gas layer. There is a surface-side carrier gas layer disposed on the surface side of the substrate at a position facing the deep carrier gas layer. The source electrode, the gate electrode, and the drain electrode are connected to the surface of the semiconductor substrate directly or via another layer. The back gate electrode is electrically connected to the deep carrier gas layer. Below the gate electrode, the carrier concentration of the deep carrier gas layer is higher than the carrier concentration of the surface side carrier gas layer.

なお、上記の「半導体基板の表面側」は、ソース電極、ゲート電極及びドレイン電極が形成されている表面に近い側を意味する。上記の「深部キャリアガス層と対向する位置」は、半導体基板を厚み方向に沿って見たときに深部キャリアガス層と重なる位置を意味する。上記の「ゲート電極の下側」は、半導体基板を厚み方向に沿って見たときにゲート電極と重なる範囲を意味する。 The “surface side of the semiconductor substrate” means a side close to the surface on which the source electrode, the gate electrode, and the drain electrode are formed. The above-mentioned “position facing the deep carrier gas layer” means a position overlapping the deep carrier gas layer when the semiconductor substrate is viewed along the thickness direction. The “under the gate electrode” means a range that overlaps with the gate electrode when the semiconductor substrate is viewed along the thickness direction.

なお、本明細書において、ソース電極とゲート電極とドレイン電極は、これらのうちのいずれかが半導体基板の表面に直接接続されており、残りが他の層を介して半導体基板の表面に接続されていてもよい。また、各電極と半導体基板の間に他の層が介在する場合は、介在する各層は互いに異なる層であってもよい。 In this specification, any one of the source electrode, the gate electrode, and the drain electrode is directly connected to the surface of the semiconductor substrate, and the rest is connected to the surface of the semiconductor substrate through another layer. It may be. Further, when another layer is interposed between each electrode and the semiconductor substrate, the interposed layers may be different layers.

この化合物半導体ＦＥＴでは、表面側キャリアガス層が主電流経路となる。この化合物半導体ＦＥＴにおいて、バックゲート電極を負電位に接続すると、深部キャリアガス層の電位が低下し、表面側キャリアガス層のキャリア濃度が低下する。このため、この化合物半導体ＦＥＴでは、バックゲート電極に負電位を印加することによって、化合物半導体ＦＥＴのゲート閾値電圧を上昇させることができる。また、バックゲート電極に負電位を印加すると、深部キャリアガス層のキャリア濃度も低下する。バックゲート電極の電位を低下させていく際に、表面側キャリアガス層よりも先に深部キャリアガス層のキャリアが消失すると、それ以上深部キャリアガス層の電位を低下させることができなくなり、表面側キャリアガス層のキャリア濃度をそれ以上低下させることができなくなる。しかしながら、この化合物半導体ＦＥＴでは、ゲート電極の下側において、深部キャリアガス層のキャリア濃度が、表面側キャリアガス層のキャリア濃度よりも高い。このため、バックゲート電極の電位を低下させる際に、ゲート電極の下側において、深部キャリアガス層よりも先に表面側キャリアガス層のキャリアを消失させることができる。このため、この化合物半導体ＦＥＴは、ゲート閾値電圧としてプラスの値を有することができる。すなわち、この化合物半導体ＦＥＴによれば、ノーマリオフを実現することができる。 In this compound semiconductor FET, the surface-side carrier gas layer becomes the main current path. In this compound semiconductor FET, when the back gate electrode is connected to a negative potential, the potential of the deep carrier gas layer is lowered, and the carrier concentration of the surface side carrier gas layer is lowered. For this reason, in this compound semiconductor FET, the gate threshold voltage of the compound semiconductor FET can be increased by applying a negative potential to the back gate electrode. In addition, when a negative potential is applied to the back gate electrode, the carrier concentration in the deep carrier gas layer is also reduced. When reducing the potential of the back gate electrode, if the carriers in the deep carrier gas layer disappear before the carrier gas layer on the surface side, the potential of the deep carrier gas layer can no longer be reduced, and the surface side It becomes impossible to further reduce the carrier concentration of the carrier gas layer. However, in this compound semiconductor FET, the carrier concentration of the deep carrier gas layer is higher than the carrier concentration of the surface side carrier gas layer below the gate electrode. For this reason, when lowering the potential of the back gate electrode, carriers in the surface-side carrier gas layer can be lost before the deeper carrier gas layer below the gate electrode. For this reason, this compound semiconductor FET can have a positive value as the gate threshold voltage. That is, according to this compound semiconductor FET, normally-off can be realized.

実施例１のＨＥＭＴ１０の縦断面図。1 is a longitudinal sectional view of a HEMT 10 of Example 1. FIG. バックゲート電圧未印加時の図１のＡ−Ａ線におけるバンドギャップ図。The band gap figure in the AA line of FIG. 1 at the time of no back gate voltage application. バックゲート電圧印加時の図１のＡ−Ａ線におけるバンドギャップ図。The band gap figure in the AA line of FIG. 1 at the time of back gate voltage application. 実施例２のＨＥＭＴ２００の縦断面図。FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a HEMT 200 of Example 2. 実施例３のＨＥＭＴ３００の縦断面図。FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a HEMT 300 of Example 3. 実施例４のＨＥＭＴ４００の縦断面図。FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a HEMT 400 of Example 4. 実施例５のＨＥＭＴ５００の縦断面図。FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a HEMT 500 according to a fifth embodiment. 実施例６のＨＥＭＴ６００の縦断面図。FIG. 10 is a longitudinal sectional view of a HEMT 600 of Example 6. 実施例７のＨＥＭＴ７００の縦断面図。FIG. 10 is a longitudinal sectional view of a HEMT 700 of Example 7. 実施例８のＨＥＭＴ８００の縦断面図。FIG. 10 is a longitudinal sectional view of a HEMT 800 of Example 8.

最初に、以下に説明する実施例の特徴を列記する。なお、ここに列記する特徴は、何れも独立して有効なものである。 First, the features of the embodiments described below are listed. Note that the features listed here are all independently effective.

（特徴１）表面側キャリアガス層が二次元電子ガスである場合には、表面側キャリアガス層のキャリア濃度Ｎｅは、以下の数式により算出することができる。

上記数１において、Ｅｇ_１は表面側キャリアガス層（二次元電子ガス）が形成されているヘテロ接合を構成する２つの層のうちの広いバンドギャップを有する第１層（例えば、ＡｌＧａＡｓ）のバンドギャップエネルギーである。Ｅｇ_２は前記２つの層のうちの狭いバンドギャップを有する第２層（例えば、ＧａＡｓ）のバンドギャップエネルギーである。ε_１は第１層の誘電率である。ε_２は第２層の誘電率である。Ｗｔは第１層の厚みである。Ｗｃは第２層の厚みである。ΔＥｃ_１は前記ヘテロ接合における伝導帯側のバンドオフセットである。Ｎｄは、前記ヘテロ接合に沿ってプラス電荷が存在する領域（すなわち、変調ドープまたは分極により形成されたプラス電荷が存在する領域）におけるプラス電荷の空間電荷濃度である。Ｖａは、深部キャリアガス層（二次元ホールガス）の電位である。ｅは電気素量（１．６０２×１０^−１９クーロン）である。また、この場合において、深部キャリアガス層（二次元ホールガス）のキャリア濃度Ｎｈは、以下の数式により算出することができる。

上記数２において、Ｅｇ_３は深部キャリアガス層（二次元ホールガス）が形成されているヘテロ接合を構成する２つの層のうちの広いバンドギャップを有する第３層（例えば、ＡｌＧａＡｓ）のバンドギャップエネルギーである。Ｅｇ_２は前記２つの層のうちの狭いバンドギャップを有する第２層（例えば、ＧａＡｓ）のバンドギャップエネルギーである。ε_３は第３層の誘電率である。ε_２は第２層の誘電率である。Ｗｂは第３層の厚みである。Ｗｃは第２層の厚みである。ΔＥｖ_２は前記ヘテロ接合における価電子体側のバンドオフセットである。Ｎａは、前記ヘテロ接合に沿ってマイナス電荷が存在する領域（すなわち、変調ドープまたは分極により形成されたマイナス電荷が存在する領域）におけるマイナス電荷の空間電荷濃度である。Ｖａは、深部キャリアガス層（二次元ホールガス）の電位である。ｅは電気素量（１．６０２×１０−１９クーロン）である。
（特徴２）表面側キャリアガス層が二次元ホールガスである場合には、表面側キャリアガス層のキャリア濃度Ｎｈは、以下の数式により算出することができる。

上記数３において、Ｅｇ_１は表面側キャリアガス層（二次元ホールガス）が形成されているヘテロ接合を構成する２つの層のうちの広いバンドギャップを有する第１層（例えば、ＡｌＧａＡｓ）のバンドギャップエネルギーである。Ｅｇ_２は前記２つの層のうちの狭いバンドギャップを有する第２層（例えば、ＧａＡｓ）のバンドギャップエネルギーである。ε_１は第１層の誘電率である。ε_２は第２層の誘電率である。Ｗｔは第１層の厚みである。Ｗｃは第２層の厚みである。ΔＥｖ_１は前記ヘテロ接合における価電子帯側のバンドオフセットである。Ｎａは、前記ヘテロ接合に沿ってマイナス電荷が存在する領域（すなわち、変調ドープまたは分極により形成されたマイナス電荷が存在する領域）におけるマイナス電荷の空間電荷濃度である。Ｖａは、深部キャリアガス層（二次元電子ガス）の電位である。ｅは電気素量（１．６０２×１０−１９クーロン）である。また、この場合において、深部キャリアガス層（二次元電子ガス）のキャリア濃度Ｎｅは、以下の数式により算出することができる。

上記数４において、Ｅｇ_３は深部キャリアガス層（二次元電子ガス）が形成されているヘテロ接合を構成する２つの層のうちの広いバンドギャップを有する第３層（例えば、ＡｌＧａＡｓ）のバンドギャップエネルギーである。Ｅｇ_２は前記２つの層のうちの狭いバンドギャップを有する第２層（例えば、ＧａＡｓ）のバンドギャップエネルギーである。ε_３は第３層の誘電率である。ε_２は第２層の誘電率である。Ｗｂは第３層の厚みである。Ｗｃは第２層の厚みである。ΔＥｃ_２は前記ヘテロ接合における伝導帯側のバンドオフセットである。Ｎｄは、前記ヘテロ接合に沿ってプラス電荷が存在する領域（すなわち、変調ドープまたは分極により形成されたプラス電荷が存在する領域）におけるプラス電荷の空間電荷濃度である。Ｖａは、深部キャリアガス層（二次元電子ガス）の電位である。ｅは電気素量（１．６０２×１０−１９クーロン）である。
（特徴３）深部キャリアガス層のキャリア濃度が、いずれの位置においても、対向する位置の表面側キャリアガス層のキャリア濃度よりも高い。
（特徴４）深部キャリアガス及び表面側キャリアガスが形成されるヘテロ接合は、バンドギャップが相違する２つの半導体層を積層することによって形成されている。バンドギャップの相違する半導体層の組み合わせを例示すると、特に限定されないが、２種類以上の相違する結晶材料、同位体材料、結晶構造材料の組み合わせを挙げることができる。より具体的には、結晶材料の組み合わせとしては、例えば、ＡｌＧａＮとＧａＮ、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓ、または、ＩｎＡｌＧａＡｓＰとＩｎＧａＰ等のようにＩＩＩ族原子とＶ族原子をそれぞれ１種類以上含むＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物の組み合わせを採用することができる。また、別の結晶材料の組み合わせとして、例えば、ＺｎＭｇＯとＺｎＯ等のようにＩＩ族原子とＶＩ族原子をそれぞれ１種類以上含むＩＩ−ＶＩ族半導体化合物の組み合わせ、ＳｉＧｅＣとＳｉＧｅＳｉとＧｅ等のようにＩＶ族原子を１種類以上含み、互いに組成比が相違するＩＶ族半導体化合物の組み合わせ、ＣＺＴＳ等のＩＩ−ＩＶ−ＶＩ族半導体化合物等を挙げることができる。なお、上記の化合物の表記においては、組成比を表すサフィックスは省略されており、適宜好ましい組成比の化合物を用いることができる。また、同位体材料の組み合わせとしては、例えば、^１３Ｃと^１２Ｃ、^２８Ｓｉと^２９Ｓｉと^３０Ｓｉを挙げることができる。また、結晶構造材料の組み合わせとしては、例えば、ウルツ鉱構造のＧａＮと閃亜鉛構造のＧａＮ、単結晶のＧａＮと多結晶のＧａＮを挙げることができる。バンドギャップの相違する半導体層の組み合わせとしてとして好ましいものを挙げると、バンドギャップ差が大きく、格子定数差が小さい組み合わせや、バンドギャップ差が大きく、自発分極係数及びピエゾ分極係数が大きい組み合わせが好ましい。また、それぞれの半導体層が、高熱伝導度、高移動度、高飽和速度及び低欠陥密度の特性を有していることが好ましい。さらに、ＡｌＧａＮとＧａＮの組み合わせ等の、バンドギャップ差が大きく、格子定数差が小さく、かつ、自発分極係数及びピエゾ分極定数が大きい組み合わせは、特に好ましい。なお、該組み合わせ（すなわち、ＡｌＧａＮとＧａＮの組み合わせ等）の場合は、分極効果によって、下記実施例中の高ドーパント層２４ｂ、２８ｂがなくても二次元ホールガス２５ｂ、二次元電子ガス２７ｂが形成される。 (Feature 1) When the surface-side carrier gas layer is a two-dimensional electron gas, the carrier concentration Ne of the surface-side carrier gas layer can be calculated by the following formula.

In the above formula 1, Eg ₁ is a band of the first layer (for example, AlGaAs) having a wide band gap among the two layers constituting the heterojunction in which the surface side carrier gas layer (two-dimensional electron gas) is formed. It is gap energy. Eg ₂ is the band gap energy of the second layer (eg, GaAs) having the narrow band gap of the two layers. ε ₁ is the dielectric constant of the first layer. epsilon ₂ is the dielectric constant of the second layer. Wt is the thickness of the first layer. Wc is the thickness of the second layer. ΔEc ₁ is a band offset on the conduction band side in the heterojunction. Nd is a space charge concentration of positive charges in a region where positive charges exist along the heterojunction (that is, a region where positive charges formed by modulation doping or polarization exist). Va is the potential of the deep carrier gas layer (two-dimensional hole gas). e is the elementary charge (1.602 × 10 ⁻¹⁹ coulombs). In this case, the carrier concentration Nh of the deep carrier gas layer (two-dimensional hole gas) can be calculated by the following equation.

In Equation 2, Eg ₃ is the band gap of the third layer (for example, AlGaAs) having a wide band gap of the two layers constituting the heterojunction in which the deep carrier gas layer (two-dimensional hole gas) is formed. Energy. Eg ₂ is the band gap energy of the second layer (eg, GaAs) having the narrow band gap of the two layers. ε ₃ is the dielectric constant of the third layer. epsilon ₂ is the dielectric constant of the second layer. Wb is the thickness of the third layer. Wc is the thickness of the second layer. ΔEv ₂ is a band offset on the valence body side in the heterojunction. Na is a space charge concentration of negative charge in a region where a negative charge exists along the heterojunction (that is, a region where a negative charge formed by modulation doping or polarization exists). Va is the potential of the deep carrier gas layer (two-dimensional hole gas). e is the elementary charge (1.602 × 10 −19 coulomb).
(Feature 2) When the surface side carrier gas layer is a two-dimensional hole gas, the carrier concentration Nh of the surface side carrier gas layer can be calculated by the following equation.

In the above formula 3, Eg ₁ is a band of a first layer (for example, AlGaAs) having a wide band gap of two layers constituting a heterojunction in which a surface-side carrier gas layer (two-dimensional hole gas) is formed. It is gap energy. Eg ₂ is the band gap energy of the second layer (eg, GaAs) having the narrow band gap of the two layers. ε ₁ is the dielectric constant of the first layer. epsilon ₂ is the dielectric constant of the second layer. Wt is the thickness of the first layer. Wc is the thickness of the second layer. ΔEv ₁ is a band offset on the valence band side in the heterojunction. Na is a space charge concentration of negative charge in a region where a negative charge exists along the heterojunction (that is, a region where a negative charge formed by modulation doping or polarization exists). Va is the potential of the deep carrier gas layer (two-dimensional electron gas). e is the elementary charge (1.602 × 10 −19 coulomb). In this case, the carrier concentration Ne of the deep carrier gas layer (two-dimensional electron gas) can be calculated by the following mathematical formula.

In the above equation 4, Eg ₃ is the band gap of the third layer (for example, AlGaAs) having a wide band gap of the two layers constituting the heterojunction in which the deep carrier gas layer (two-dimensional electron gas) is formed. Energy. Eg ₂ is the band gap energy of the second layer (eg, GaAs) having the narrow band gap of the two layers. ε ₃ is the dielectric constant of the third layer. epsilon ₂ is the dielectric constant of the second layer. Wb is the thickness of the third layer. Wc is the thickness of the second layer. ΔEc ₂ is a band offset on the conduction band side in the heterojunction. Nd is a space charge concentration of positive charges in a region where positive charges exist along the heterojunction (that is, a region where positive charges formed by modulation doping or polarization exist). Va is the potential of the deep carrier gas layer (two-dimensional electron gas). e is the elementary charge (1.602 × 10 −19 coulomb).
(Characteristic 3) The carrier concentration of the deep carrier gas layer is higher than the carrier concentration of the surface side carrier gas layer at the opposite position at any position.
(Feature 4) The heterojunction in which the deep part carrier gas and the surface side carrier gas are formed is formed by stacking two semiconductor layers having different band gaps. Examples of combinations of semiconductor layers having different band gaps include, but not limited to, combinations of two or more different crystal materials, isotope materials, and crystal structure materials. More specifically, as a combination of crystal materials, for example, a group III-V semiconductor including at least one group III atom and group V atom, such as AlGaN and GaN, AlGaAs and GaAs, or InAlGaAsP and InGaP. Combinations of compounds can be employed. Further, as another combination of crystal materials, for example, a combination of II-VI group semiconductor compounds each including one or more group II atoms and group VI atoms such as ZnMgO and ZnO, SiGeC, SiGeSi, Ge, etc. Examples include a combination of group IV semiconductor compounds containing one or more group IV atoms and having different composition ratios, and II-IV-VI group semiconductor compounds such as CZTS. In the description of the above compounds, the suffix indicating the composition ratio is omitted, and a compound having a preferable composition ratio can be used as appropriate. Examples of combinations of isotope materials include ¹³ C and ¹² C, ²⁸ Si, ²⁹ Si, and ³⁰ Si. Examples of the combination of crystal structure materials include wurtzite structure GaN and zinc blend structure GaN, single crystal GaN, and polycrystalline GaN. Preferred examples of combinations of semiconductor layers having different band gaps include combinations having a large band gap difference and a small lattice constant difference, and combinations having a large band gap difference and a large spontaneous polarization coefficient and piezoelectric polarization coefficient. In addition, each semiconductor layer preferably has characteristics of high thermal conductivity, high mobility, high saturation speed, and low defect density. Furthermore, a combination such as a combination of AlGaN and GaN having a large band gap difference, a small lattice constant difference, and a large spontaneous polarization coefficient and piezoelectric polarization constant is particularly preferable. In the case of the combination (that is, a combination of AlGaN and GaN), the two-dimensional hole gas 25b and the two-dimensional electron gas 27b are formed by the polarization effect even without the high dopant layers 24b and 28b in the following examples. Is done.

図１に示す実施例１のＨＥＭＴ１０は、半導体基板２０と、ソース電極４２と、ゲート電極４４と、ドレイン電極４６と、バックゲート電極４８を有している。なお、図１では、図の見易さを考慮して、一部の半導体層のハッチングを省略している。 The HEMT 10 according to the first embodiment illustrated in FIG. 1 includes a semiconductor substrate 20, a source electrode 42, a gate electrode 44, a drain electrode 46, and a back gate electrode 48. In FIG. 1, some semiconductor layers are not hatched in consideration of easy viewing.

半導体基板２０は、ＧａＡｓ基板２２と、ＡｌＧａＡｓ層２４と、ＧａＡｓ層２６と、ＡｌＧａＡｓ層２８を有している。 The semiconductor substrate 20 has a GaAs substrate 22, an AlGaAs layer 24, a GaAs layer 26, and an AlGaAs layer 28.

ＧａＡｓ基板２２は、絶縁性であり、平坦な下面を有している。ＧａＡｓ基板２２の上面には、段差２２ａが形成されている。 The GaAs substrate 22 is insulative and has a flat lower surface. A step 22 a is formed on the upper surface of the GaAs substrate 22.

ＡｌＧａＡｓ層２４は、ＧａＡｓ基板２２上に形成されている。ＡｌＧａＡｓ層２４は、ＧａＡｓ基板２２の上面の形状に沿って、略一定の厚さに形成されている。したがって、ＡｌＧａＡｓ層２４の上面には、段差２４ｄが形成されている。ＡｌＧａＡｓ層２４は、下層２４ａ、高ドーパント層２４ｂ、及び、上層２４ｃを有する。下層２４ａは、ｉ型のＡｌＧａＡｓにより構成されており、ＧａＡｓ基板２２の上面に形成されている。高ドーパント層２４ｂは、ＢｅがドープされたＡｌＧａＡｓにより構成されており、下層２４ａ上に形成されている。上層２４ｃは、ｉ型のＡｌＧａＡｓにより構成されており、高ドーパント層２４ｂ上に形成されている。下層２４ａ及び上層２４ｃはｉ型であるので、高ドーパント層２４ｂ内のドーパント濃度は下層２４ａ及び上層２４ｃよりも高い。 The AlGaAs layer 24 is formed on the GaAs substrate 22. The AlGaAs layer 24 is formed with a substantially constant thickness along the shape of the upper surface of the GaAs substrate 22. Therefore, a step 24 d is formed on the upper surface of the AlGaAs layer 24. The AlGaAs layer 24 has a lower layer 24a, a high dopant layer 24b, and an upper layer 24c. The lower layer 24 a is made of i-type AlGaAs and is formed on the upper surface of the GaAs substrate 22. The high dopant layer 24b is made of BeGaAs-doped AlGaAs and is formed on the lower layer 24a. The upper layer 24c is made of i-type AlGaAs, and is formed on the high dopant layer 24b. Since the lower layer 24a and the upper layer 24c are i-type, the dopant concentration in the high dopant layer 24b is higher than that of the lower layer 24a and the upper layer 24c.

ＧａＡｓ層２６は、ＡｌＧａＡｓ層２４上に形成されている。ＧａＡｓ層２６は、後述するｐ型拡散領域２６ａを除いて、ｉ型のＧａＡｓにより構成されている。ＧａＡｓ層２６のエネルギーバンドギャップは、ＡｌＧａＡｓ層２４のエネルギーバンドギャップよりも小さい。したがって、ＧａＡｓ層２６とＡｌＧａＡｓ層２４との接合部２５ａは、ヘテロ接合となっている。ＡｌＧａＡｓ層２４の上面が段差２４ｄを有するので、ヘテロ接合２５ａは段差２４ｄに沿って伸びている。ヘテロ接合２５ａ近傍のＧａＡｓ層２６には、ヘテロ接合２５ａに沿って、二次元ホールガス２５ｂ（以下、２ＤＨＧ２５ｂという）が形成されている。なお、２ＤＨＧ２５ｂの厚みは極めて薄いため、実質的には２ＤＨＧ２５ｂの位置はヘテロ接合２５ａの位置と一致する。ＧａＡｓ層２６の上面は、略平坦である。したがって、図１において、段差２４ｄよりも左側の領域３０におけるＧａＡｓ層２６の厚みは、段差２４ｄよりも右側の領域３２におけるＧａＡｓ層２６の厚みよりも薄い。 The GaAs layer 26 is formed on the AlGaAs layer 24. The GaAs layer 26 is made of i-type GaAs except for a p-type diffusion region 26a described later. The energy band gap of the GaAs layer 26 is smaller than the energy band gap of the AlGaAs layer 24. Therefore, the junction 25a between the GaAs layer 26 and the AlGaAs layer 24 is a heterojunction. Since the upper surface of the AlGaAs layer 24 has the step 24d, the heterojunction 25a extends along the step 24d. In the GaAs layer 26 in the vicinity of the heterojunction 25a, a two-dimensional hole gas 25b (hereinafter referred to as 2DHG 25b) is formed along the heterojunction 25a. Since the thickness of the 2DHG 25b is extremely thin, the position of the 2DHG 25b substantially coincides with the position of the heterojunction 25a. The upper surface of the GaAs layer 26 is substantially flat. Therefore, in FIG. 1, the thickness of the GaAs layer 26 in the region 30 on the left side of the step 24d is smaller than the thickness of the GaAs layer 26 in the region 32 on the right side of the step 24d.

ＡｌＧａＡｓ層２８は、ＧａＡｓ層２６上に形成されている。ＡｌＧａＡｓ層２８のエネルギーバンドギャップは、ＧａＡｓ層２６のエネルギーバンドギャップよりも大きい。したがって、ＧａＡｓ層２６とＡｌＧａＡｓ層２８との接合部２７ａは、ヘテロ接合となっている。ヘテロ接合２７ａ近傍のＧａＡｓ層２６には、ヘテロ接合２７ａに沿って、二次元電子ガス２７ｂ（以下、２ＤＥＧという）が形成されている。なお、２ＤＥＧ２７ｂの厚みは極めて薄いため、実質的には２ＤＥＧ２７ｂの位置はヘテロ接合２７ａの位置と一致する。２ＤＥＧ２７ｂ内の電子の濃度（以下、２ＤＥＧ２７ｂの濃度という）は、何れの位置の２ＤＨＧ２５ｂ内のホールの濃度（以下、２ＤＨＧ２５ｂの濃度という）よりも低い。ＡｌＧａＡｓ層２８は、略一定の厚さを有する。ＡｌＧａＡｓ層２８は、下層２８ａ、高ドーパント層２８ｂ、及び、上層２８ｃを有する。下層２８ａは、ｉ型のＡｌＧａＡｓにより構成されており、ＧａＡｓ層２６の上面に形成されている。高ドーパント層２８ｂは、ＣがドープされたＡｌＧａＡｓにより構成されており、下層２８ａ上に形成されている。上層２８ｃは、ｉ型のＡｌＧａＡｓにより構成されており、高ドーパント層２８ｂ上に形成されている。下層２８ａ及び上層２８ｃはｉ型であるので、高ドーパント層２８ｂ内のドーパント濃度は下層２８ａ及び上層２８ｃよりも高い。また、上層２８ｃ内には、ｎ型のドーパントを拡散させることで形成されたソース領域２８ｄ及びドレイン領域２８ｅが形成されている。ソース領域２８ｄは、領域３０内の上層２８ｃの上面に露出する範囲に部分的に形成されている。ドレイン領域２８ｅは、領域３２内の上層２８ｃの上面に露出する範囲に部分的に形成されている。 The AlGaAs layer 28 is formed on the GaAs layer 26. The energy band gap of the AlGaAs layer 28 is larger than the energy band gap of the GaAs layer 26. Therefore, the junction 27a between the GaAs layer 26 and the AlGaAs layer 28 is a heterojunction. In the GaAs layer 26 near the heterojunction 27a, a two-dimensional electron gas 27b (hereinafter referred to as 2DEG) is formed along the heterojunction 27a. Since the 2DEG 27b is extremely thin, the position of the 2DEG 27b substantially coincides with the position of the heterojunction 27a. The concentration of electrons in 2DEG 27b (hereinafter referred to as the concentration of 2DEG 27b) is lower than the concentration of holes in 2DHG 25b at any position (hereinafter referred to as the concentration of 2DHG 25b). The AlGaAs layer 28 has a substantially constant thickness. The AlGaAs layer 28 has a lower layer 28a, a high dopant layer 28b, and an upper layer 28c. The lower layer 28 a is made of i-type AlGaAs and is formed on the upper surface of the GaAs layer 26. The high dopant layer 28b is made of AlGaAs doped with C, and is formed on the lower layer 28a. The upper layer 28c is made of i-type AlGaAs and is formed on the high dopant layer 28b. Since the lower layer 28a and the upper layer 28c are i-type, the dopant concentration in the high dopant layer 28b is higher than that of the lower layer 28a and the upper layer 28c. In the upper layer 28c, a source region 28d and a drain region 28e formed by diffusing an n-type dopant are formed. The source region 28 d is partially formed in a range exposed on the upper surface of the upper layer 28 c in the region 30. The drain region 28 e is partially formed in a range exposed on the upper surface of the upper layer 28 c in the region 32.

ソース電極４２、ゲート電極４４、ドレイン電極４６は、ＡｌＧａＡｓ層２８上に形成されている。ソース電極４２とゲート電極４４は、領域３０内に配置されており、ドレイン電極４６は領域３２内に配置されている。ソース電極４２は、ソース領域２８ｄ上に形成されており、ソース領域２８ｄに対してオーミック接続されている。ドレイン電極４６は、ドレイン領域２８ｅ上に形成されており、ドレイン領域２８ｅに対してオーミック接続されている。ゲート電極４４は、上層２８ｃ上に形成されており、上層２８ｃに対してショットキー接続されている。 The source electrode 42, the gate electrode 44, and the drain electrode 46 are formed on the AlGaAs layer 28. The source electrode 42 and the gate electrode 44 are disposed in the region 30, and the drain electrode 46 is disposed in the region 32. The source electrode 42 is formed on the source region 28d and is ohmically connected to the source region 28d. The drain electrode 46 is formed on the drain region 28e and is ohmically connected to the drain region 28e. The gate electrode 44 is formed on the upper layer 28c and is Schottky connected to the upper layer 28c.

図１の左端の領域においては、半導体基板２０にメサ構造５０が形成されている。メサ構造５０では、ＧａＡｓ層２６上にＡｌＧａＡｓ層２８が存在しておらず、ＧａＡｓ層２６が露出している。バックゲート電極４８は、その露出しているＧａＡｓ層２６の表面に形成されている。バックゲート電極４８の下部のＧａＡｓ層２６内には、ｐ型ドーパントを拡散させることで形成されたｐ型拡散領域２６ａが形成されている。バックゲート電極４８は、ｐ型拡散領域２６ａに対してオーミック接続されている。バックゲート電極４８は、ｐ型拡散領域２６ａと、その直下のＧａＡｓ層２６を介して、２ＤＨＧ２５ｂと導通している。 In the leftmost region of FIG. 1, a mesa structure 50 is formed on the semiconductor substrate 20. In the mesa structure 50, the AlGaAs layer 28 does not exist on the GaAs layer 26, and the GaAs layer 26 is exposed. The back gate electrode 48 is formed on the exposed surface of the GaAs layer 26. A p-type diffusion region 26a formed by diffusing a p-type dopant is formed in the GaAs layer 26 below the back gate electrode 48. The back gate electrode 48 is ohmically connected to the p-type diffusion region 26a. The back gate electrode 48 is electrically connected to the 2DHG 25b through the p-type diffusion region 26a and the GaAs layer 26 immediately below the p-type diffusion region 26a.

次に、ＨＥＭＴ１０の動作について説明する。ＨＥＭＴ１０を動作させる際には、バックゲート電極４８を、負電位に接続する。図２、３は、図１のＡ−Ａ線（すなわち、ゲート電極４４の直下）におけるバンドギャップ図を模式的に示している。図２は、バックゲート電極４８をソース電極４８と同電位とした状態を示しており、図３は、バックゲート電極４８を負電位に接続した状態を示している。なお、図２、３において、符号Ｅｆはフェルミレベルを示す。図２に示すように、バックゲート電極４８をソース電極４８と同電位とした状態では、ＡｌＧａＡｓ層２８とＧａＡｓ層２６の境界部の伝導帯に谷間が形成され、その谷間に自由電子が溜まることで２ＤＥＧ２７ｂが形成されている。また、ＧａＡｓ層２６とＡｌＧａＡｓ層２４の境界部の価電子帯に谷間が形成され、その谷間にホールが溜まることで２ＤＨＧ２５ｂが形成されている。バックゲート電極４８が負電位に接続されると、ＡｌＧａＡｓ層２４側のバンドが上側にシフトし、その結果、２ＤＥＧ２７ｂが存在する谷間、及び、２ＤＨＧ２５ｂが存在する谷間が狭くなる。これによって、２ＤＥＧ２７ｂ内のキャリア濃度、及び、２ＤＨＧ２５ｂ内のキャリア濃度が低下する。バックゲート電極４８の電位をさらに下げると、２ＤＥＧ２７ｂ（より詳細には、領域３０内の２ＤＥＧ２７ｂ）が消失する。他方、本実施例では、２ＤＨＧ２５ｂ内のホールの濃度が２ＤＥＧ２７ｂの濃度よりも高いので、２ＤＥＧ２７ｂが消失するときのバックゲート電極４８の電位では、２ＤＨＧ２５ｂは消失しない。このため、バックゲート電極４８を介して２ＤＨＧ２５ｂを負電位に接続することで、２ＤＥＧ２７ｂを消失させることができる。本実施例では、バックゲート電極４８は、ソース電極４２よりも低い電位であって、領域３０内の２ＤＥＧ２７ｂを消失させるのに十分な電位に接続される。 Next, the operation of the HEMT 10 will be described. When the HEMT 10 is operated, the back gate electrode 48 is connected to a negative potential. 2 and 3 schematically show band gap diagrams taken along the line AA in FIG. 1 (that is, immediately below the gate electrode 44). FIG. 2 shows a state in which the back gate electrode 48 is set to the same potential as the source electrode 48, and FIG. 3 shows a state in which the back gate electrode 48 is connected to a negative potential. 2 and 3, the symbol Ef indicates the Fermi level. As shown in FIG. 2, when the back gate electrode 48 is at the same potential as the source electrode 48, a valley is formed in the conduction band at the boundary between the AlGaAs layer 28 and the GaAs layer 26, and free electrons accumulate in the valley. Thus, 2DEG 27b is formed. Further, a valley is formed in the valence band at the boundary between the GaAs layer 26 and the AlGaAs layer 24, and holes are accumulated in the valley to form 2DHG 25b. When the back gate electrode 48 is connected to a negative potential, the band on the AlGaAs layer 24 side shifts upward, and as a result, the valley where the 2DEG 27b exists and the valley where the 2DHG 25b exists become narrow. As a result, the carrier concentration in 2DEG 27b and the carrier concentration in 2DHG 25b are lowered. When the potential of the back gate electrode 48 is further lowered, 2DEG 27b (more specifically, 2DEG 27b in the region 30) disappears. On the other hand, in this embodiment, since the concentration of holes in the 2DHG 25b is higher than the concentration of 2DEG 27b, the 2DHG 25b does not disappear at the potential of the back gate electrode 48 when the 2DEG 27b disappears. For this reason, 2DEG 27b can be eliminated by connecting 2DHG 25b to a negative potential via back gate electrode 48. In the present embodiment, the back gate electrode 48 is connected to a potential lower than that of the source electrode 42 and sufficient to eliminate the 2DEG 27b in the region 30.

また、ＨＥＭＴ１０を動作させる際には、ドレイン電極４６とソース電極４２の間に、ドレイン電極４６が高電位となる電圧が印加される。ゲート電極４４は、ゲート電圧を印加しない状態（すなわち、ソース電極４２以下の電位を印加した状態）とゲート電圧を印加した状態（すなわち、ソース電極４２よりも高い電位を印加した状態）の間で切り替えられる。ゲート電圧が印加されていない状態では、領域３０内に２ＤＥＧ２７ｂが存在していないので、ドレイン電極４６とソース電極４２の間に電流は流れない。ゲート電圧が印加されると、ゲート電極４４からの電界によって領域３０内のヘテロ接合２７ａ近傍に電子が引き寄せられて、領域３０内に２ＤＥＧ２７ｂが形成される。これによって、ＨＥＭＴ１０がオンし、ドレイン電極４６からソース電極４２に向かって電流が流れる。すなわち、ドレイン電極４６から、ドレイン領域２８ｅ、２ＤＥＧ２７ｂ、ソース領域２８ｄを通って、ソース電極４２に電流が流れる。このように、ＨＥＭＴ１０では、ゲート電圧が印加されていない状態では、領域３０内に２ＤＥＧ２７ｂが存在しないようになっている。これによって、ゲート閾値電圧が正の電位まで上昇されており、ＨＥＭＴ１０のノーマリオフが実現されている。 Further, when the HEMT 10 is operated, a voltage at which the drain electrode 46 becomes a high potential is applied between the drain electrode 46 and the source electrode 42. The gate electrode 44 is between a state where no gate voltage is applied (that is, a state where a potential lower than the source electrode 42 is applied) and a state where a gate voltage is applied (that is, a state where a potential higher than the source electrode 42 is applied). Can be switched. In the state where the gate voltage is not applied, the 2DEG 27 b does not exist in the region 30, so no current flows between the drain electrode 46 and the source electrode 42. When the gate voltage is applied, electrons are attracted to the vicinity of the heterojunction 27 a in the region 30 by the electric field from the gate electrode 44, and 2DEG 27 b is formed in the region 30. As a result, the HEMT 10 is turned on, and a current flows from the drain electrode 46 toward the source electrode 42. That is, a current flows from the drain electrode 46 to the source electrode 42 through the drain region 28e, 2DEG 27b, and the source region 28d. As described above, in the HEMT 10, the 2DEG 27b does not exist in the region 30 when the gate voltage is not applied. As a result, the gate threshold voltage is raised to a positive potential, and the HEMT 10 is normally off.

また、このＨＥＭＴ１０では、ゲート電極４４の直下を含む領域３０内のＧａＡｓ層２６の厚みが薄く、ドレイン電極４６側の電流経路を含む領域３２内のＧａＡｓ層２６の厚みが厚い。これによって、領域３０内に形成される２ＤＥＧ２７ｂと２ＤＨＧ２５ｂの間の間隔Ｗ１が、領域３２内に形成される２ＤＥＧ２７ｂと２ＤＨＧ２５ｂの間の間隔Ｗ２よりも狭くなっている。この間隔が狭いほど、２ＤＥＧ２７ｂの濃度は低くなる。すなわち、ＨＥＭＴ１０では、領域３０内の２ＤＥＧ２７ｂの濃度が、領域３２内の２ＤＥＧ２７ｂの濃度よりも低くなっている。ゲート電極４４の直下を含む領域３０内の２ＤＥＧ２７ｂの濃度が低くなっていることで、ゲート閾値電圧がより高められている。また、領域３２内の２ＤＥＧ２７ｂの濃度が高くなっていることで、領域３２内の２ＤＥＧ２７ｂ内の移動度が高くなっている。これによって、ＨＥＭＴ１０のオン電圧が低減されており、ＨＥＭＴ１０で生じる損失が抑制されている。 In this HEMT 10, the thickness of the GaAs layer 26 in the region 30 including the region immediately below the gate electrode 44 is thin, and the thickness of the GaAs layer 26 in the region 32 including the current path on the drain electrode 46 side is large. Thus, the interval W1 between 2DEG 27b and 2DHG 25b formed in the region 30 is narrower than the interval W2 between 2DEG 27b and 2DHG 25b formed in the region 32. The narrower this interval, the lower the concentration of 2DEG27b. That is, in the HEMT 10, the concentration of 2DEG 27b in the region 30 is lower than the concentration of 2DEG 27b in the region 32. Since the concentration of 2DEG 27b in the region 30 including immediately below the gate electrode 44 is low, the gate threshold voltage is further increased. Further, since the concentration of 2DEG 27b in the region 32 is high, the mobility in the 2DEG 27b in the region 32 is high. As a result, the ON voltage of the HEMT 10 is reduced, and the loss that occurs in the HEMT 10 is suppressed.

また、ＨＥＭＴ１０をオフさせている際には、ドレイン電極４６とソース電極４２の間の印加電圧によって、半導体基板２０内に局所的に高電界が印加される場合がある。このように高電界が半導体基板２０に印加されると、高電界が印加された領域に電子とホールが生成される。このように発生した電子とホールが半導体基板２０内に長時間滞在すると、アバランシェ現象が生じ、問題となる。しかしながら、実施例１のＨＥＭＴ１０では、２ＤＨＧ２５ｂがバックゲート電極４８を介して負電位に接続されている。このため、半導体基板２０内で発生したホールは、瞬時に、２ＤＨＧ２５ｂを介してバックゲート電極４８に排出される。また、電子は移動度が高いため、瞬時に、領域３２内の２ＤＥＧ２７ｂ等を通ってドレイン電極４６に排出される。このように、高電界により生じた電子とホールが瞬時に半導体基板２０の外部に排出されるため、ＨＥＭＴ１０はアバランシェ耐量が高い。 Further, when the HEMT 10 is turned off, a high electric field may be locally applied in the semiconductor substrate 20 due to the applied voltage between the drain electrode 46 and the source electrode 42. When a high electric field is applied to the semiconductor substrate 20 in this way, electrons and holes are generated in a region where the high electric field is applied. If the electrons and holes generated in this way stay in the semiconductor substrate 20 for a long time, an avalanche phenomenon occurs and becomes a problem. However, in the HEMT 10 of the first embodiment, the 2DHG 25b is connected to the negative potential via the back gate electrode 48. Therefore, holes generated in the semiconductor substrate 20 are instantaneously discharged to the back gate electrode 48 via the 2DHG 25b. Further, since electrons have high mobility, they are instantaneously discharged to the drain electrode 46 through the 2DEG 27b in the region 32 and the like. Thus, since electrons and holes generated by a high electric field are instantaneously discharged to the outside of the semiconductor substrate 20, the HEMT 10 has a high avalanche resistance.

次に、実施例１のＨＥＭＴ１０の製造方法について説明する。まず、絶縁性のＧａＡｓ基板２２を準備する。次に、ＧａＡｓ基板２２の上面をエッチング等により加工することで、段差２２ａを形成する。次に、ＭＢＥ法等により、ＧａＡｓ基板２２上に、下層２４ａ（ｉ型のＡｌＧａＡｓ層：厚み約４００ｎｍ）、高ドーパント層２４ｂ（ＢｅがドープされたＡｌＧａＡｓ層：厚み約５ｎｍ）、上層２４ｃ（ｉ型のＡｌＧａＡｓ層：厚み約５ｎｍ）、ＧａＡｓ層２６（ｉ型のＧａＡｓ層：厚み約６００ｎｍ）、下層２８ａ（ｉ型のＡｌＧａＡｓ層：厚み約５ｎｍ）、高ドーパント層２８ｂ（ＧｅがドープされたＡｌＧａＡｓ層：厚み約５ｎｍ）、及び、上層２８ｃ（ｉ型のＡｌＧａＡｓ層：厚み約４００ｎｍ）を順に積層する。このように各層を形成することで、ヘテロ接合２５ａ、２７ａが形成される。また、熱平衡状態では、高ドーパント層２４ｂからホールが放出され、放出されたホールがヘテロ接合２５ａ近傍に集まり、２ＤＨＧ２５ｂが形成される。また、熱平衡状態では、高ドーパント層２８ｂから電子が放出され、放出された電子がヘテロ接合２７ａ近傍に集まり、２ＤＥＧ２７ｂが形成される。なお、ＧａＡｓ層２６を形成する際には、ＧａＡｓ層２６を成長させたのちに、その表面をエッチバック等することによって、ＧａＡｓ層２６の表面を平坦化する。また、各層を形成する際には、２ＤＥＧ２７ｂの濃度が２ＤＨＧ２５ｂの濃度よりも低くなるように、各層の厚みやドーパント濃度を調節する。 Next, the manufacturing method of HEMT10 of Example 1 is demonstrated. First, an insulating GaAs substrate 22 is prepared. Next, the upper surface of the GaAs substrate 22 is processed by etching or the like to form a step 22a. Next, the lower layer 24a (i-type AlGaAs layer: thickness of about 400 nm), the high dopant layer 24b (BeGaAs-doped AlGaAs layer: thickness of about 5 nm), and the upper layer 24c (i) are formed on the GaAs substrate 22 by MBE or the like. Type AlGaAs layer: thickness about 5 nm), GaAs layer 26 (i-type GaAs layer: thickness about 600 nm), lower layer 28 a (i-type AlGaAs layer: thickness about 5 nm), high dopant layer 28 b (Ge-doped AlGaAs Layer: thickness of about 5 nm) and upper layer 28c (i-type AlGaAs layer: thickness of about 400 nm) are laminated in order. By forming each layer in this way, heterojunctions 25a and 27a are formed. In a thermal equilibrium state, holes are emitted from the high dopant layer 24b, and the emitted holes gather near the heterojunction 25a to form 2DHG 25b. In the thermal equilibrium state, electrons are emitted from the high dopant layer 28b, and the emitted electrons gather near the heterojunction 27a to form 2DEG 27b. When the GaAs layer 26 is formed, the surface of the GaAs layer 26 is planarized by growing the GaAs layer 26 and then etching back the surface. When forming each layer, the thickness and dopant concentration of each layer are adjusted so that the concentration of 2DEG27b is lower than the concentration of 2DHG25b.

次に、半導体基板２０の一部をエッチングすることで、メサ構造５０を形成する。次に、Ｚｎ含有Ａｕ層を蒸着し、その後パターニングすることで、バックゲート電極４８を形成する。次に、Ｇｅ含有Ａｕ層を蒸着し、その後パターニングすることで、ソース電極４２とドレイン電極４６を形成する。次に、半導体基板２０を熱処理することで、バックゲート電極４８中のＺｎ、及び、ソース電極４２とドレイン電極４６中のＧｅを半導体基板２０中に拡散させる。これによって、ｐ型拡散領域２６ａ、ソース領域２８ｄ、及び、ドレイン領域２８ｅを形成する。すなわち、バックゲート電極４８、ソース電極４２、及び、ドレイン電極４６を半導体基板２０にオーミック接続させる。次に、Ａｌ層を蒸着し、その後パターニングすることで、ゲート電極４４を形成する。これにより、ゲート電極４４は半導体基板２０に対してショットキー接続される。以上の工程により、ＨＥＭＴ１０を製造することができる。なお、上記の各パターニングは、通常のフォトリソグラフィとエッチングによって行うことができる。 Next, a mesa structure 50 is formed by etching a part of the semiconductor substrate 20. Next, a back gate electrode 48 is formed by depositing a Zn-containing Au layer and then patterning. Next, a Ge-containing Au layer is deposited and then patterned to form the source electrode 42 and the drain electrode 46. Next, the semiconductor substrate 20 is heat-treated to diffuse Zn in the back gate electrode 48 and Ge in the source electrode 42 and the drain electrode 46 into the semiconductor substrate 20. Thereby, a p-type diffusion region 26a, a source region 28d, and a drain region 28e are formed. That is, the back gate electrode 48, the source electrode 42, and the drain electrode 46 are ohmically connected to the semiconductor substrate 20. Next, an Al layer is deposited and then patterned to form the gate electrode 44. As a result, the gate electrode 44 is Schottky connected to the semiconductor substrate 20. The HEMT 10 can be manufactured through the above steps. Each patterning described above can be performed by ordinary photolithography and etching.

次に、他の実施例に係るＨＥＭＴについて説明する。なお、以下の説明においては、他の実施例のＨＥＭＴのうち、実施例１のＨＥＭＴ１０に対応する構成要素に対しては実施例１と同じ参照番号を用いる。また、実施例１と共通の構成については説明を省略する。 Next, a HEMT according to another embodiment will be described. In the following description, the same reference numerals as those in the first embodiment are used for the components corresponding to the HEMT 10 in the first embodiment among the HEMTs in the other embodiments. Further, the description of the configuration common to the first embodiment is omitted.

図４に示す実施例２のＨＥＭＴ２００では、ＧａＡｓ基板２２の上面が平坦である。また、ＡｌＧａＡｓ層２４の上面に段差２４ｄが形成されている。段差２４ｄは、ゲート電極４４とドレイン電極４６の間の位置に形成されている。段差２４ｄよりもゲート電極４４及びソース電極４２側の領域３０ではＡｌＧａＡｓ層２４ｄの厚みが厚く、段差２４ｄよりもドレイン電極４６側の領域３２ではＡｌＧａＡｓ層２４ｄの厚みが薄い。実施例２のＨＥＭＴ２００のその他の構成は、実施例１のＨＥＭＴ１０と略等しい。 In the HEMT 200 of Example 2 shown in FIG. 4, the upper surface of the GaAs substrate 22 is flat. Further, a step 24 d is formed on the upper surface of the AlGaAs layer 24. The step 24 d is formed at a position between the gate electrode 44 and the drain electrode 46. The AlGaAs layer 24d is thicker in the region 30 closer to the gate electrode 44 and the source electrode 42 than the step 24d, and the AlGaAs layer 24d is thinner in the region 32 closer to the drain electrode 46 than the step 24d. Other configurations of the HEMT 200 of the second embodiment are substantially the same as those of the HEMT 10 of the first embodiment.

実施例２のＨＥＭＴ２００のように、ＧａＡｓ基板２２の上面を平坦とし、ＡｌＧａＡｓ層２４の厚みを変化させることでも、ＡｌＧａＡｓ層２４の上面に段差２４ｄを形成することができる。これによって、領域３０内における２ＤＥＧ２７ｂと２ＤＨＧ２５ｂの間の間隔Ｗ１を、領域３２内における２ＤＥＧ２７ｂと２ＤＨＧ２５ｂの間の間隔Ｗ２よりも狭くすることができる。すなわち、領域３０内の２ＤＥＧ２７ｂの濃度を、領域３２内の２ＤＥＧ２７ｂの濃度よりも低くすることができる。 The step 24 d can be formed on the upper surface of the AlGaAs layer 24 by making the upper surface of the GaAs substrate 22 flat and changing the thickness of the AlGaAs layer 24 as in the HEMT 200 of the second embodiment. Thus, the interval W1 between 2DEG 27b and 2DHG 25b in the region 30 can be made smaller than the interval W2 between 2DEG 27b and 2DHG 25b in the region 32. That is, the concentration of 2DEG 27b in the region 30 can be made lower than the concentration of 2DEG 27b in the region 32.

また、２ＤＨＧ２５ｂには、ＡｌＧａＡｓ層２４からホールが供給される。領域３０内では、領域３２内よりもＡｌＧａＡｓ層２４の厚みが厚い。このため、領域３０内では、領域３２内よりも２ＤＨＧ２５ｂに多くのホールが供給される。このため、領域３０内の２ＤＨＧ２５ｂの濃度は、領域３２内の２ＤＨＧ２５ｂの濃度よりも高い。２ＤＥＧ２７ｂの濃度は、対向する２ＤＨＧ２５ｂの濃度が高いほど、低くなる。すなわち、ＨＥＭＴ２００では、２ＤＨＧ２５ｂの濃度分布の影響によっても、領域３０内の２ＤＥＧ２７ｂの濃度が、領域３２内の２ＤＥＧ２７ｂの濃度よりも低くなっている。このような構成によれば、ドレイン電極４６側の２ＤＥＧ２７ｂの濃度を高濃度に維持したまま、ゲート電極４４の直下における２ＤＥＧ２７ｂの濃度をより効果的に低減することができる。これによって、オン電圧が低く、ゲート閾値電圧が高いＨＥＭＴをより容易に実現することができる。 Further, holes are supplied from the AlGaAs layer 24 to the 2DHG 25b. The AlGaAs layer 24 is thicker in the region 30 than in the region 32. Therefore, more holes are supplied to the 2DHG 25b in the region 30 than in the region 32. For this reason, the concentration of 2DHG 25b in the region 30 is higher than the concentration of 2DHG 25b in the region 32. The concentration of 2DEG 27b decreases as the concentration of the opposing 2DHG 25b increases. That is, in the HEMT 200, the concentration of 2DEG 27b in the region 30 is lower than the concentration of 2DEG 27b in the region 32 due to the influence of the concentration distribution of 2DHG 25b. According to such a configuration, the concentration of 2DEG 27b immediately below the gate electrode 44 can be more effectively reduced while maintaining the concentration of 2DEG 27b on the drain electrode 46 side at a high concentration. As a result, a HEMT having a low on-voltage and a high gate threshold voltage can be realized more easily.

図５に示す実施例３のＨＥＭＴ３００では、ＧａＡｓ基板２２の上面に段差３２２ａが形成されている。段差３２２ａは、ゲート電極４４とドレイン電極４６の間の位置に形成されている。他方、ＡｌＧａＡｓ層２４の上面は平坦である。すなわち、ＡｌＧａＡｓ層２４の厚みは、段差３２２ａよりもゲート電極４４及びソース電極４２側の領域３３０で厚く、段差３２２ａよりもドレイン電極４６側の領域３３２で薄い。また、ＧａＡｓ層２６の厚みは、ソース電極４２とドレイン電極４６の間で略一定である。すなわち、ＨＥＭＴ３００では、２ＤＥＧ２７ｂと２ＤＨＧ２５ｂの間の間隔が略一定である。 In the HEMT 300 of Example 3 shown in FIG. 5, a step 322 a is formed on the upper surface of the GaAs substrate 22. The step 322 a is formed at a position between the gate electrode 44 and the drain electrode 46. On the other hand, the upper surface of the AlGaAs layer 24 is flat. That is, the thickness of the AlGaAs layer 24 is thicker in the region 330 on the gate electrode 44 and source electrode 42 side than the step 322a, and thinner in the region 332 on the drain electrode 46 side than the step 322a. The thickness of the GaAs layer 26 is substantially constant between the source electrode 42 and the drain electrode 46. That is, in the HEMT 300, the interval between the 2DEG 27b and the 2DHG 25b is substantially constant.

実施例３のＨＥＭＴ３００の構成によれば、領域３３０内では、領域３３２内よりもＡｌＧａＡｓ層２４の厚みが厚いため、領域３３０内の２ＤＨＧ２５ｂの濃度が、領域３３２内の２ＤＨＧ２５ｂの濃度よりも高い。このため、領域３３０内の２ＤＥＧ２７ｂの濃度が、領域３３２内の２ＤＥＧ２７ｂの濃度よりも低い。したがって、ドレイン電極４６側の２ＤＥＧ２７ｂの濃度を高濃度に維持したまま、ゲート電極４４の直下における２ＤＥＧ２７ｂの濃度が低減されている。これによって、オン電圧が低く、ゲート閾値電圧が高いＨＥＭＴが実現されている。 According to the configuration of the HEMT 300 according to the third embodiment, the thickness of the AlGaAs layer 24 is thicker in the region 330 than in the region 332, so that the concentration of 2DHG 25 b in the region 330 is higher than the concentration of 2DHG 25 b in the region 332. For this reason, the concentration of 2DEG 27b in the region 330 is lower than the concentration of 2DEG 27b in the region 332. Therefore, the concentration of 2DEG 27b immediately below the gate electrode 44 is reduced while the concentration of 2DEG 27b on the drain electrode 46 side is maintained at a high concentration. As a result, a HEMT having a low on-voltage and a high gate threshold voltage is realized.

図６に示す実施例４のＨＥＭＴ４００では、ＧａＡｓ基板２２の上面が平坦である。また、ドレイン電極４６とソース電極４２の間で、ＡｌＧａＡｓ層２４の厚みは略一定である。ＨＥＭＴ４００では、ＡｌＧａＡｓ層２４内の高ドーパント層２４ｂ内のドーパント濃度が、位置によって異なる。図６に示すドーパント濃度の境界部４２２ａよりもゲート電極４４及びソース電極４２側の領域４３０では、境界部４２２ａよりもドレイン電極４６側の領域４３２よりもドーパント濃度が高い。このため、領域４３０内の２ＤＨＧ２５ｂの濃度は、領域４３２内の２ＤＨＧ２５ｂの濃度よりも高い。したがって、領域４３０内の２ＤＥＧ２７ｂの濃度が、領域４３２内の２ＤＥＧ２７ｂの濃度よりも低い。すなわち、ドレイン電極４６側の２ＤＥＧ２７ｂの濃度を高濃度に維持したまま、ゲート電極４４の直下における２ＤＥＧ２７ｂの濃度が低減されている。これによって、オン電圧が低く、ゲート閾値電圧が高いＨＥＭＴが実現されている。 In the HEMT 400 of Example 4 shown in FIG. 6, the upper surface of the GaAs substrate 22 is flat. Further, the thickness of the AlGaAs layer 24 is substantially constant between the drain electrode 46 and the source electrode 42. In the HEMT 400, the dopant concentration in the high dopant layer 24b in the AlGaAs layer 24 varies depending on the position. In the region 430 closer to the gate electrode 44 and the source electrode 42 than the boundary portion 422a of the dopant concentration shown in FIG. 6, the dopant concentration is higher than the region 432 closer to the drain electrode 46 than the boundary portion 422a. For this reason, the concentration of 2DHG 25b in the region 430 is higher than the concentration of 2DHG 25b in the region 432. Accordingly, the concentration of 2DEG 27b in the region 430 is lower than the concentration of 2DEG 27b in the region 432. That is, the concentration of 2DEG 27b immediately below the gate electrode 44 is reduced while the concentration of 2DEG 27b on the drain electrode 46 side is maintained at a high concentration. As a result, a HEMT having a low on-voltage and a high gate threshold voltage is realized.

図７に示す実施例５のＨＥＭＴ５００では、ＧａＡｓ基板２２の上面が平坦である。また、ドレイン電極４６とソース電極４２の間で、ＡｌＧａＡｓ層２４の厚みは略一定である。さらに、ＡｌＧａＡｓ層２４内の高ドーパント層２４ｂ内のドーパント濃度は、略一定である。したがって、２ＤＨＧ２５ｂの濃度は位置によらず略一定である。このため、２ＤＥＧ２７ｂの濃度も位置によらず略一定である。以上のように２ＤＥＧ２７ｂの濃度が略一定であっても、２ＤＥＧ２７ｂに対向する２ＤＨＧ２５ｂが存在していれば、ＨＥＭＴ５００の使用時に２ＤＨＧ２５ｂ（すなわち、バックゲート電極４８）に負電位を印加することで、２ＤＨＧ２５ｂの濃度を低下させることができる。また、２ＤＨＧ２５ｂの濃度が２ＤＥＧ２７ｂの濃度より高いので、ＨＥＭＴ５００のゲート閾値電圧をプラス（すなわち、ソース電極４２よりも高い電位）まで上昇させることができる。これによって、ＨＥＭＴ５００のノーマリオフ化が実現されている。 In the HEMT 500 of Example 5 shown in FIG. 7, the upper surface of the GaAs substrate 22 is flat. Further, the thickness of the AlGaAs layer 24 is substantially constant between the drain electrode 46 and the source electrode 42. Furthermore, the dopant concentration in the high dopant layer 24b in the AlGaAs layer 24 is substantially constant. Therefore, the concentration of 2DHG25b is substantially constant regardless of the position. For this reason, the density of 2DEG 27b is also substantially constant regardless of the position. As described above, even if the concentration of 2DEG 27b is substantially constant, if there is 2DHG 25b facing 2DEG 27b, a negative potential is applied to 2DHG 25b (that is, back gate electrode 48) when HEMT 500 is used, thereby 2DHG 25b. The concentration of can be reduced. Further, since the concentration of 2DHG 25b is higher than the concentration of 2DEG 27b, the gate threshold voltage of HEMT 500 can be increased to a positive value (that is, a potential higher than that of source electrode 42). As a result, the HEMT 500 is normally off.

図８に示す実施例６のＨＥＭＴ６００では、実施例５のＨＥＭＴ５００と同様に、ＧａＡｓ基板２２、ＡｌＧａＡｓ層２４、及びＧａＡｓ層２６が略一定の厚さを有している。このＨＥＭＴ６００では、ドレイン電極４６の下側のｎ型拡散層（すなわち、ドレイン領域２８ｅ）、及び、ソース電極４２の下側のｎ型拡散層（すなわち、ソース領域２８ｄ）がＧａＡｓ層２６（２ＤＨＧ２５ｂよりも浅い位置）まで伸びている。また、このＨＥＭＴ６００では、メサ構造５０が半導体基板２０に形成されていない。代わりに、ＡｌＧａＡｓ層２８の上面からＧａＡｓ層２６の２ＤＨＧ２５ｂまで伸びるｐ型拡散領域６４８が形成されている。ソース電極４２は、ｐ型拡散領域６４８の上面も覆っており、ｐ型拡散領域６４８に対してオーミック接続されている。２ＤＨＧ２５ｂは、ｐ型拡散領域６４８を介してソース電極４２と接続されている。言い換えると、このＨＥＭＴ６００では、ソース電極４２がバックゲート電極を兼ねている。したがって、２ＤＨＧ２５ｂの電位は、ソース電極４２と略等しい。このように２ＤＨＧ２５ｂをソース電極４２と短絡させても、２ＤＨＧ２５ｂ及び２ＤＥＧ２７ｂの濃度及び位置関係を適切に調節することで、ゲート閾値電圧を十分に高めることができる。これによって、ＨＥＭＴ６００のノーマリオフ化を実現することができる。また、このようにソース電極４２とバックゲート電極を共通化することで、メサ構造を形成する必要がなくなる。ＡｌＧａＡｓ層２８の表面が平坦となるため、このＨＥＭＴ６００は、効率よく製造することが可能である。 In the HEMT 600 of Example 6 shown in FIG. 8, the GaAs substrate 22, the AlGaAs layer 24, and the GaAs layer 26 have a substantially constant thickness, as in the HEMT 500 of Example 5. In this HEMT 600, the n-type diffusion layer (that is, the drain region 28e) below the drain electrode 46 and the n-type diffusion layer (that is, the source region 28d) below the source electrode 42 are formed from the GaAs layer 26 (from 2DHG 25b). (Shallow position). In the HEMT 600, the mesa structure 50 is not formed on the semiconductor substrate 20. Instead, a p-type diffusion region 648 extending from the upper surface of the AlGaAs layer 28 to the 2DHG 25b of the GaAs layer 26 is formed. The source electrode 42 also covers the upper surface of the p-type diffusion region 648 and is ohmically connected to the p-type diffusion region 648. The 2DHG 25 b is connected to the source electrode 42 through the p-type diffusion region 648. In other words, in the HEMT 600, the source electrode 42 also serves as the back gate electrode. Therefore, the potential of the 2DHG 25b is substantially equal to that of the source electrode 42. Thus, even if the 2DHG 25b is short-circuited to the source electrode 42, the gate threshold voltage can be sufficiently increased by appropriately adjusting the concentration and the positional relationship of the 2DHG 25b and the 2DEG 27b. As a result, the HEMT 600 can be normally off. In addition, by sharing the source electrode 42 and the back gate electrode in this way, it is not necessary to form a mesa structure. Since the surface of the AlGaAs layer 28 becomes flat, this HEMT 600 can be manufactured efficiently.

以上、実施例１〜６のＨＥＭＴについて説明した。なお、実施例６のようにバックゲート電極とソース電極を共通化する構成を、実施例１〜５のＨＥＭＴに適用してもよい。または、実施例１〜５のＨＥＭＴにおいて、バックゲート電極４８とソース電極４２とを短絡させてもよい。また、実施例１〜５に示したものよりも、バックゲート電極４８をソース電極４２等のＨＥＭＴの主構造から離れた位置に設けてもよい。２ＤＨＧ２５ｂの移動度が高いので、バックゲート電極４８を主構造から離れた位置に設けても、ＨＥＭＴを適切に動作させることができる。 The HEMTs of Examples 1 to 6 have been described above. In addition, you may apply the structure which makes a back gate electrode and a source electrode common like Example 6 to HEMT of Examples 1-5. Or you may short-circuit the back gate electrode 48 and the source electrode 42 in HEMT of Examples 1-5. Further, the back gate electrode 48 may be provided at a position farther from the main structure of the HEMT such as the source electrode 42 than those shown in the first to fifth embodiments. Since the mobility of the 2DHG 25b is high, the HEMT can be appropriately operated even if the back gate electrode 48 is provided at a position away from the main structure.

なお、実施例１〜６では、上述したように、２ＤＥＧ２７ｂの濃度及び２ＤＨＧ２５ｂの濃度を最適化することが好ましい。また、いくつかの実施例では、位置によって２ＤＥＧ及び２ＤＨＧの濃度が異なる。各位置における２ＤＥＧ２７ｂの濃度は、以下の計算式により表すことができる。

上記数５において、Ｅｇ_１はＡｌＧａＡｓ層２８のバンドギャップエネルギーである。Ｅｇ_２はＧａＡｓ層２６のバンドギャップエネルギーである。ε_１はＡｌＧａＡｓ層２８の誘電率である。ε_２はＧａＡｓ層２６の誘電率である。ＷｔはＡｌＧａＡｓ層２８の厚みである。ＷｃはＧａＡｓ層２６の厚みである。ΔＥｃ_１はヘテロ接合２７ａにおける伝導帯側のバンドオフセット（図２参照）である。Ｎｄは高ドーパント層２８ｂにおけるプラス電荷の空間電荷濃度である。Ｖａはバックゲート電極４８（すなわち、２ＤＨＧ）のソース電極４２に対する電位である。ｅは電気素量（１．６０２×１０^−１９クーロン）である。なお、バックゲート電極４８とソース電極４２が共通化（短絡）されている場合には、電位Ｖａは０Ｖである。また、各位置における２ＤＨＧ２５ｂの濃度Ｎｈは、以下の計算式により表すことができる。

上記数６において、Ｅｇ_３はＡｌＧａＡｓ層２４のバンドギャップエネルギーである。Ｅｇ_２はＧａＡｓ層２６のバンドギャップエネルギーである。ε_３はＡｌＧａＡｓ層２４の誘電率である。ε_２はＧａＡｓ層２６の誘電率である。ＷｂはＡｌＧａＡｓ層２４の厚みである。ＷｃはＧａＡｓ層２６の厚みである。ΔＥｖ_２はヘテロ接合２５ａにおける価電子帯側のバンドオフセット（図２参照）である。Ｎａは高ドーパント層２４ｂにおけるマイナス電荷の空間電荷濃度である。Ｖａはバックゲート電極４８（すなわち、２ＤＨＧ）のソース電極４２に対する電位である。ｅは電気素量（１．６０２×１０^−１９クーロン）である。 In Examples 1 to 6, as described above, it is preferable to optimize the concentration of 2DEG27b and the concentration of 2DHG25b. In some embodiments, the concentration of 2DEG and 2DHG varies depending on the position. The concentration of 2DEG27b at each position can be expressed by the following calculation formula.

In Equation 5, Eg ₁ is the band gap energy of the AlGaAs layer 28. Eg ₂ is the band gap energy of the GaAs layer 26. ε ₁ is the dielectric constant of the AlGaAs layer 28. ε ₂ is the dielectric constant of the GaAs layer 26. Wt is the thickness of the AlGaAs layer 28. Wc is the thickness of the GaAs layer 26. ΔEc ₁ is a band offset (see FIG. 2) on the conduction band side in the heterojunction 27a. Nd is the space charge concentration of positive charges in the high dopant layer 28b. Va is a potential with respect to the source electrode 42 of the back gate electrode 48 (that is, 2DHG). e is the elementary charge (1.602 × 10 ⁻¹⁹ coulombs). Note that when the back gate electrode 48 and the source electrode 42 are shared (short-circuited), the potential Va is 0V. Further, the concentration Nh of 2DHG 25b at each position can be expressed by the following calculation formula.

In Equation 6, Eg ₃ is the band gap energy of the AlGaAs layer 24. Eg ₂ is the band gap energy of the GaAs layer 26. ε ₃ is the dielectric constant of the AlGaAs layer 24. ε ₂ is the dielectric constant of the GaAs layer 26. Wb is the thickness of the AlGaAs layer 24. Wc is the thickness of the GaAs layer 26. ΔEv ₂ is a band offset (see FIG. 2) on the valence band side in the heterojunction 25a. Na is the space charge concentration of negative charge in the high dopant layer 24b. Va is a potential with respect to the source electrode 42 of the back gate electrode 48 (that is, 2DHG). e is the elementary charge (1.602 × 10 ⁻¹⁹ coulombs).

なお、ＨＥＭＴをノーマリオフ化する場合には、上述した計算式により算出されるＮｅ及びＮｈが、Ｎｅ＜Ｎｈの関係を満たす必要がある。しかしながら、ノーマリオフ化させない場合にはこの関係は必須ではない。Ｎｅ＞Ｎｈの場合であっても、実施例１〜４の構成によれば、ゲート電極４４の下側で２ＤＥＧ２７ｂの濃度が低く、その他の領域の少なくとも一部における２ＤＥＧ２７ｂの濃度が高くなることから、ゲート閾値電位を比較的高くするとともに、ＨＥＭＴのオン電圧を低減することができる。 Note that when the HEMT is normally off, Ne and Nh calculated by the above-described calculation formula must satisfy the relationship Ne <Nh. However, this relationship is not essential if the normally-off is not performed. Even in the case of Ne> Nh, according to the configurations of the first to fourth embodiments, the concentration of 2DEG27b is low below the gate electrode 44 and the concentration of 2DEG27b is high in at least a part of other regions. The gate threshold potential can be made relatively high, and the ON voltage of the HEMT can be reduced.

また、実施例１〜６では、２ＤＥＧが半導体基板２０の表面側に位置し、２ＤＨＧが半導体基板２０の深い側に位置していた。しかしながら、２ＤＨＧが半導体基板２０の表面側に位置し、２ＤＥＧが半導体基板２０の深い側に位置していてもよい。この場合、２ＤＨＧがドレイン電極４６とソース電極４２の間の電流経路となり、２ＤＥＧがバックゲート電極に接続される。 In Examples 1 to 6, 2DEG was positioned on the front side of the semiconductor substrate 20 and 2DHG was positioned on the deep side of the semiconductor substrate 20. However, 2DHG may be located on the surface side of the semiconductor substrate 20 and 2DEG may be located on the deep side of the semiconductor substrate 20. In this case, 2DHG serves as a current path between the drain electrode 46 and the source electrode 42, and 2DEG is connected to the back gate electrode.

また、実施例１〜４のＨＥＭＴでは、ゲート電極４４の下側とゲート電極４４よりもソース電極４２側の領域で２ＤＥＧ２７ｂの濃度が低くなっており、ゲート電極４４よりもドレイン電極４６側の領域で２ＤＥＧ２７ｂの濃度が高くなっていた。しかしながら、少なくともゲート電極４４の下側の領域で２ＤＥＧ２７ｂの濃度が低くなっており、その他の領域の少なくとも一部で２ＤＥＧ２７ｂの濃度が高くなっていれば、２ＤＥＧ２７ｂの濃度はどのように分布していてもよい。例えば、ゲート電極４４よりもソース電極４２側の領域とゲート電極４４よりもドレイン電極４６側の領域の両方で、２ＤＥＧ２７ｂの濃度が高くなっていてもよい。また、例えば、ゲート電極４４よりもソース電極４２側の領域でのみ、２ＤＥＧ２７ｂの濃度が高くなっていてもよい。上記のように２ＤＥＧ２７ｂの濃度を分布させるために、ＧａＡｓ層２６の各位置における厚み、ＡｌＧａＡｓ層２４の各位置における厚み、及び、高ドーパント層２４ｂの各位置におけるドーパント濃度を調節することができる。 In the HEMTs of Examples 1 to 4, the concentration of 2DEG 27b is lower in the region below the gate electrode 44 and in the region closer to the source electrode 42 than the gate electrode 44, and the region closer to the drain electrode 46 than the gate electrode 44 is. The concentration of 2DEG27b was high. However, if the concentration of 2DEG27b is low in at least the region below the gate electrode 44 and the concentration of 2DEG27b is high in at least a part of the other regions, how is the concentration of 2DEG27b distributed? Also good. For example, the concentration of 2DEG 27b may be higher in both the region closer to the source electrode 42 than the gate electrode 44 and the region closer to the drain electrode 46 than the gate electrode 44. Further, for example, the concentration of 2DEG 27 b may be higher only in the region closer to the source electrode 42 than the gate electrode 44. In order to distribute the concentration of 2DEG 27b as described above, the thickness at each position of the GaAs layer 26, the thickness at each position of the AlGaAs layer 24, and the dopant concentration at each position of the high dopant layer 24b can be adjusted.

また、実施例１〜６のＨＥＭＴは、変調ドープによって形成された高ドーパント層２４ｂ及び２８ｂを有していた。しかしながら、各層の材料及び面方位を選択することで自発分極またはピエゾ分極により２ＤＥＧと２ＤＨＧを発生させることができる場合には、高ドーパント層２４ｂ及び２８ｂは形成されていなくてもよい。この場合、２ＤＥＧ及び２ＤＨＧに沿って、分極によって生じた電荷が存在する層が形成される。 In addition, the HEMTs of Examples 1 to 6 had high dopant layers 24b and 28b formed by modulation doping. However, when 2DEG and 2DHG can be generated by spontaneous polarization or piezoelectric polarization by selecting the material and plane orientation of each layer, the high dopant layers 24b and 28b may not be formed. In this case, a layer in which charges generated by polarization exist is formed along 2DEG and 2DHG.

また、実施例１〜６のＨＥＭＴでは、ＡｌＧａＡｓ層２８の上面が略平坦であった。しかしながら、図９に示すように、ＡｌＧａＡｓ層２８の上面に溝７０２が形成されており、溝７０２内にゲート電極４４が形成されていてもよい。このようにゲート電極４４の下側のＡｌＧａＡｓ層２８を薄くすることで、ゲート電極４４の下側の２ＤＥＧ２７ｂの濃度をさらに低くすることができる。これによって、ＨＥＭＴのゲート閾値電圧をさらに上昇させることができる。 In the HEMTs of Examples 1 to 6, the upper surface of the AlGaAs layer 28 was substantially flat. However, as shown in FIG. 9, a groove 702 may be formed on the upper surface of the AlGaAs layer 28, and the gate electrode 44 may be formed in the groove 702. Thus, by reducing the thickness of the AlGaAs layer 28 on the lower side of the gate electrode 44, the concentration of the 2DEG 27b on the lower side of the gate electrode 44 can be further reduced. As a result, the gate threshold voltage of the HEMT can be further increased.

また、実施例１〜６のＨＥＭＴでは、ゲート電極４４がＡｌＧａＡｓ層２８に対してショットキー接続されていた。しかしながら、図１０に示すように、ゲート電極４４とＡｌＧａＡｓ層２８の間に、Ａｌ_２Ｏ_３からなる絶縁層７０４を設けてもよい。また、ゲート電極４４は、金属であってもよいし、ｐ−ＧａＡｓ等の半導体であってもよい。このような構成でも、ゲート電極４４により適切にスイッチングを行うことができる。このように、本明細書に記載のＨＥＭＴでは、２ＤＨＧ２５ｂの電位、濃度、または、位置によって２ＤＥＧ２７ｂの濃度を制御できるので、さまざまなタイプのゲート電極４４を採用することができる。 In the HEMTs of Examples 1 to 6, the gate electrode 44 was Schottky connected to the AlGaAs layer 28. However, as shown in FIG. 10, an insulating layer 704 made of Al ₂ O ₃ may be provided between the gate electrode 44 and the AlGaAs layer 28. The gate electrode 44 may be a metal or a semiconductor such as p-GaAs. Even in such a configuration, the gate electrode 44 can appropriately perform switching. As described above, in the HEMT described in this specification, the concentration of 2DEG 27b can be controlled by the potential, concentration, or position of 2DHG 25b, and thus various types of gate electrodes 44 can be employed.

また、実施例１〜６のようにソース電極４２とドレイン電極４６がＡｌＧａＡｓ層２８に接触していてもよいし、他の導電層を介してソース電極４２とドレイン電極４６がＡｌＧａＡｓ層２８に接続されていてもよい。 Further, the source electrode 42 and the drain electrode 46 may be in contact with the AlGaAs layer 28 as in the first to sixth embodiments, or the source electrode 42 and the drain electrode 46 are connected to the AlGaAs layer 28 through other conductive layers. May be.

また、上述した実施例１〜６では、基板２２が絶縁性のＧａＡｓにより構成されていた。しかしながら、基板２２は、Ｓｉやサファイア等、結晶材料を汚染しない材料であれば、何でもよい。 Moreover, in Examples 1-6 mentioned above, the board | substrate 22 was comprised with insulating GaAs. However, the substrate 22 may be anything as long as it does not contaminate the crystal material, such as Si or sapphire.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.

１０：ＨＥＭＴ
２０：半導体基板
２２：ＧａＡｓ基板
２２ａ：段差
２４：ＡｌＧａＡｓ層
２４ａ：下層
２４ｂ：高ドーパント層
２４ｃ：上層
２４ｄ：段差
２５ａ：ヘテロ接合
２５ｂ：２ＤＨＧ
２６：ＧａＡｓ層
２６ａ：ｐ型拡散領域
２７ａ：ヘテロ接合
２７ｂ：２ＤＥＧ
２８：ＡｌＧａＡｓ層
２８ａ：下層
２８ｂ：高ドーパント層
２８ｃ：上層
２８ｄ：ソース領域
２８ｅ：ドレイン領域
３０：領域
３２：領域
４２：ソース電極
４４：ゲート電極
４６：ドレイン電極
４８：バックゲート電極
５０：メサ構造
６４８：ｐ型拡散層
７０２：溝
７０４：絶縁層 10: HEMT
20: Semiconductor substrate 22: GaAs substrate 22a: Step 24: AlGaAs layer 24a: Lower layer 24b: High dopant layer 24c: Upper layer 24d: Step 25a: Heterojunction 25b: 2DHG
26: GaAs layer 26a: p-type diffusion region 27a: heterojunction 27b: 2DEG
28: AlGaAs layer 28a: lower layer 28b: high dopant layer 28c: upper layer 28d: source region 28e: drain region 30: region 32: region 42: source electrode 44: gate electrode 46: drain electrode 48: back gate electrode 50: mesa structure 648: p-type diffusion layer 702: groove 704: insulating layer

Claims

A compound semiconductor FET,
It has a semiconductor substrate, a source electrode, a gate electrode, a drain electrode, and a back gate electrode,
In the semiconductor substrate,
A deep carrier gas layer that is one of a two-dimensional electron gas and a two-dimensional hole gas;
A surface-side carrier gas that is either the two-dimensional electron gas or the two-dimensional hole gas, and is disposed on the surface side of the semiconductor substrate with respect to the deep carrier gas layer and facing the deep carrier gas layer layer,
Exists,
The source electrode, the gate electrode, and the drain electrode are connected to the surface of the semiconductor substrate directly or via another layer,
The back gate electrode is in conduction with the deep carrier gas layer;
A compound semiconductor FET under which the carrier concentration of the deep carrier gas layer is higher than the carrier concentration of the front-side carrier gas layer below the gate electrode.

2. The compound semiconductor FET according to claim 1, wherein the carrier concentration of the deep carrier gas layer is higher than the carrier concentration of the surface-side carrier gas layer at an opposing position at any position.